基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置

摘要

本发明提供一种基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置，该装置由进液通道，压力腔，喷管，射流腔，反射面板和出液通道等六部分组成，该大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置根据流体连续性和射流冷却原理，极大地提升了热视场光阑冷却装置的冷却效率，克服了传统采用强制水冷的热视场光阑冷却装置所需冷却液流量较大，冷却后温度分布不均等不足。本发明的热视场光阑冷却装置，具有较高的冷却效率，仅需较低的冷却液流量即可达到较好冷却效果，同时，冷却后光阑表面温度更低，且分布更加均匀，进一步减小了热视场光阑工作过程中对空气视宁度的破坏，有效地提升了望远镜成像像质。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳望远镜热视场光阑冷却技术及其装备，特别是基于射流冷却原理并 应用于大口径地基太阳望远镜热视场光阑的冷却装置。

背景技术

太阳为地球上的万物提供了生存的必要保证，同时，太阳的活动也直接影响着地球 的气候、通信等诸多方面。近年来，随着太阳物理学，空间天文学等科学的发展，对太 阳的研究已经深入到对太阳活动区诸多局部现象（如黑子、耀斑、日珥、太阳磁场等） 的研究。

利用地基太阳望远镜对太阳直接进行观测，已经成为目前研究太阳活动重要手段之 一。而太阳望远镜能否提供具有更高分辨率的图像，又成为了相关学科是否能够取得进 一步发展的决定性因素。因此，提高太阳望远镜分辨率成为了太阳望远镜科研工作不断 追求的终极目标。

根据光学仪器分辨率公式（λ为入射波长，D为光学系统口径），为了提高分辨率 R，必须增加太阳望远镜口径（即主镜直径），出现了口径达米级的大口径地基太阳望 远镜，但也因此衍生出了热效应，视宁度效应等一系列阻碍太阳望远镜发展的问题。

理想情况下，望远镜的集光能力与其口径的平方成正比，因此随着太阳望远镜口径 的不断增大，进入望远镜系统的太阳光能量急剧增加，会增加系统内大气的不稳定性， 以及各光学元器件的热变形响应，使得望远镜成像质量下降，甚至不能观测。为此，大 口径太阳望远镜一般采用格里高利式光学结构设计，通过在主镜焦点位置增加视场光阑 （称为“热视场光阑”），对成像视场的限制，从而限制进入望远镜光学系统的总能量， 保护望远镜内部的稳定温度场以及各光学元器件的成像质量。然而，热视场光阑对大量 光辐射的阻挡和吸收将造成其严重的热效应，并衍生出周围空气的视宁度效应，恶化像 质的同时更对热视场光阑本身及相关部件的安全造成了严重威胁。为此，世界上主要太 阳望远镜均采取了以强制水冷为主的温控措施，来降低热视场光阑的温升。如德国 GREGOR太阳望远镜热视场光阑采用45度倾斜平板结构，配备双循环强制水冷装置， 将热视场光阑温升控制在与环境温度±5K范围内（Optical and thermal design of the main  optic of the telescope GREGOR）；美国ATST太阳望远镜热视场光阑采用反射吸收式结 构，分别利用强制水冷方式对反射面和吸收面进行冷却，将热视场光阑温升控制在与环 境温度±6K（Heat Stop Specification）。这些热视场光阑采用基于强制水冷的冷却原理进 行设计，并进行了相应分析。

赵惇殳在所著《电子设备热设计》一书中，分别对各种工程中最常用的冷却方式的 冷却性能作了如下介绍：水强制对流冷却的传热系数约为1000-1500W/m K，水射流冷 却的传热系数约为1500-15000W/m K。因此，射流冷却，特别是基于水射流冷却的温控 方式具有极高的传热系数，非常适合太阳望远镜热视场光阑这类具有较高温控要求较高 的冷却对象。

由以上背景，本发明提出了一种基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场 光阑冷却装置。与现有装置相比，该装置具有冷却效率高，冷却效果好，消耗冷却液少 等优点，适合大口径地基太阳望远镜热视场光阑在高热流密度下的低温升冷却。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为大口径地基太阳望远镜热视场光阑提出一种高效的冷 却装置，使其在极高的温度载荷下仅产生极有限的温升，使得由温升影响空气视宁度并 导致视场内光束在通过热视场光阑时的像差引入降低到可接受范围，减轻热视场光阑工 作过程中的过高温升对望远镜最终成像质量的不利影响。

本发明的技术解决方案是：一种基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场 光阑冷却装置，该装置包括进液通道，压力腔，喷管，射流腔，反射面板和出液通道， 其中：

压力腔与进液管道直接相连，根据具体结构设计的需要，压力腔能够是多个相互独 立式，即每个压力腔仅与一个进液管道相连，也能够是一个整体式，即一个压力腔与多 个进液管道相连；喷管是由数个口径较小的通孔组成，位于压力腔与射流腔之间，其具 体数量和分布均根据具体设计的结构、温控目标，系统的承压能力综合决定，但与同一 压力腔相连的喷管总截面积不应大于与该压力腔相连的进液管总截面积；射流腔是冷却 系统的核心，其腔体形状将因热视场光阑反射面不同而变化，但其位于热视场光阑反射 面板背侧且尽可能靠近热源；出液口直接与射流腔相连，均布于射流腔边缘；该装置工 作过程如下：

首先，低温冷却液从各进液管道以一定流速注入压力腔，其中，压力腔与一个进液 管道和多个喷管相连；对压力腔，设进液管道总截面积为A1，进液速度为V1，与其相 连的多个喷管总截面积为A2，其中，A2＜A1，射流速度为V2；根据流体连续性方程， 则V2=V1×A1/A2；由于A2＜A1，则V2＞V1，形成了结构对流体的局部加速效应，形 成高速冷却液，高速冷却液通过与压力腔相连的多个喷管直接冲击位于反射面板背侧的 射流腔；设高速冷却液自喷管中出射速度为u_e，喷管直径为D，冷却液该温度下运动学 粘度为v，不同下的被冲击物体表面局部雷诺数Re_D和局部努赛尔数Nu_D，分别满足 方程：

${\mathrm{Re}}_D=\frac{u_{e}D}{v}---\left(1\right)$

${\mathrm{Nu}}_D=\frac{h_{r}D}{\lambda }---\left(2\right)$

然后，由于反射面板的阻挡，冷却液向四周散开，形成帖壁射流区，该区域内的局 部平均努赛尔数Nu_D表示为以下公式：

${\left({\mathrm{Nu}}_D\right)}_m=2{\mathrm{Re}}_D^{0.5}{\mathrm{Pr}}^{0.42}{(1+0.005{\mathrm{Re}}_D^{0.55})}^{0.5}\frac{1-1.1D/r}{1+0.1(H/D-6)D/r}\frac{D}{r}---\left(3\right)$

上式也能够表示为以r作为特征长度的Nu数的形式，并求得平均对流换热系数h_m：

${\frac{h_{m}D}{\lambda }=\left({\mathrm{Nu}}_r\right)}_m=2{\mathrm{Re}}_D^{0.5}{\mathrm{Pr}}^{0.42}{(1+0.005{\mathrm{Re}}_D^{0.55})}^{0.5}\frac{1-1.1D/r}{1+0.1(H/D-6)D/r}\frac{D}{r}---\left(4\right)$

取定性温度为(t_w+t_∞)/2，其中，实验验证范围为：

2×10³≤Re_D≤4×10⁵,$2\le \frac{H}{D}\le \mathrm{12,2.5}\le \frac{r}{D}\le 7.5$

通过上式，求得贴壁射流区产生的较高的平均对流换热系数h_m；该值通常为液体强 制对流换热系数的数倍到数十倍，使得反射面板所吸收的绝大部分太阳辐射热流q被冷 却液迅速带走，且不产生较大的温差；最后，冷却液通过与射流腔相连的出液通道流出；

利用该装置并通过上述过程，即能够实现对大口径地基太阳望远镜热视场光阑的高 效冷却。

其中，低温冷却液经由进液通道首先进入压力腔，该压力腔具体形式不限于多个独 立式设计还是单个整体式设计。

其中，压力腔分别与进液通道和喷管相连，且与压力腔直接相连的进液通道总截面 积A1应大于与其直接相连的喷管总截面积A2。

其中，所有喷管均位于压力腔和射流腔之间，喷管的数量、形状以及排布方式根据 具体情况和实际需求确定。

其中，射流腔位于光阑反射面板后且紧贴反射面板背侧的位置，且尽可能靠近热源。 射流腔的形状会因反射面板形状的不同而变化，根据具体情况和需求设计。

其中，在其具体实施过程中，该冷却装置可能采用水作为冷却介质，但并不限于水， 也能够为其他具有冷却特性且能够被用于射流冷却的液体。

其中，在其具体实施过程中，该冷却装置各处可能会安装用于监测温度，流量，压 力传感器。

本发明的原理为：

一种基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置，由进液通 道，压力腔，喷管，射流腔，反射面板和出液通道等六个部分组成。

低温冷却液通过进液管道进入压力腔，设进液管道总截面积为A1，进液速度为V1， 与其相连的多个喷管总截面积为A2（A2＜A1），射流速度为V2。根据流体连续方程， 则V2=V1×A1/A2。由于A2＜A1，则V2＞V1，形成了结构对流体的局部加速效应，形 成高速冷却液并进入喷管。

如附图3所示，该图将单个圆形喷嘴射流流场定性地表示于图中。一般而言，射流 出口速度是接近均匀的。高速射流离开喷嘴表面，即进入射流腔以后，由于其与周围静 止液体或低速横向流体发生动量交换，使得射流的直径不断增大，但在射流的中心仍然 保持了一个速度均匀的核心区域。随着射流体向前运动，该核心区域不断减小，最后， 整个射流体速度界面上呈现出中间大并逐渐向边缘减小的不均与速度分布。其中，速度 保持均匀的区域称为位流流核。当射流体到达冲击物体的壁面以后，流体向着四周散开 形成贴壁射流区。被冲击的壁面正对喷嘴的区域称为滞止区，与射流中心对应的点称为 滞止点，该处同时也是局部对流传热系数最高的区域，即传热最快的区域。

根据杨世铭、陶文铨所著《传热学》一书，以滞止点为圆心，半径为r的圆内，被 冲击表面的传热系数可以表示为以下的函数形式：

$\frac{h_{m}D}{\lambda }={\left({\mathrm{Nu}}_D\right)}_m=f(\frac{H}{D},\frac{r}{D},{\mathrm{Re}}_D,\mathrm{Pr})$

其中，Re_D，Nu_d分别是不同下的被冲击物体表面局部雷诺数和局部努赛尔数， 分别定义为：

${\mathrm{Re}}_D=\frac{u_{e}D}{v}$

${\mathrm{Nu}}_D=\frac{h_{r}D}{\lambda }$

其中，u_e为射流出口平均流速，h_r是离开滞止点为r处的局部表面传热系数。局部 努赛尔数Nu_d可以表示为以下公式：

${\left({\mathrm{Nu}}_D\right)}_m=2{\mathrm{Re}}_D^{0.5}{\mathrm{Pr}}^{0.42}{(1+0.005{\mathrm{Re}}_D^{0.55})}^{0.5}\frac{1-1.1D/r}{1+0.1(H/D-6)D/r}\frac{D}{r}$

上式也可表示为以r作为特征长度的Nu数的形式，并求得平均对流换热系数h_m：

${\frac{h_{m}D}{\lambda }=\left({\mathrm{Nu}}_r\right)}_m=2{\mathrm{Re}}_D^{0.5}{\mathrm{Pr}}^{0.42}{(1+0.005{\mathrm{Re}}_D^{0.55})}^{0.5}\frac{1-1.1D/r}{1+0.1(H/D-6)D/r}\frac{D}{r}$

取定性温度为(t_w+t_∞)/2，其中，实验验证范围为：

2×10³≤Re_D≤4×10⁵,$2\le \frac{H}{D}\le \mathrm{12,2.5}\le \frac{r}{D}\le 7.5$

通过上式，可以求得贴壁射流区产生的较高的平均对流换热系数h_m。该值通常为液 体强制对流换热系数的数倍到数十倍，仅产生较小的温差即可传递较大的热流量。

本发明即是利用上述液体连续性和射流冷却原理大大提高了冷却装置的冷却效率。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1).相对于现有基于强制水冷的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置，本发 明提出的冷却装置达到同样的温控目标所需冷却液流量比现有技术更低，具有更高的冷 却效率。

(2).相对于现有基于强制水冷的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置，本发 明提出的冷却装置能够在同样冷却循环的条件下是热视场光阑整体温差比现有技术有 显著降低，进一步降低了因为热视场光阑整体温升不均对视场内光束引入的波前像差， 对于提高太阳望远镜成像质量有重要意义。

(3).相对于现有基于强制水冷的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置，本发 明提出的冷却装置不仅适用于现有热视场光阑结构，更可用于其他各类具有不同形状反 射面板的热视场光阑结构，如锥形反射面板结构等。因此，本发明具有更广的应用范围。

(4).相对于现有基于强制水冷的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置，本发 明在达到同样温控目标的情况下所需冷却液流量大大降低，将有效简化整个冷却循环的 复杂复杂程度，降低成本，并进一步提升整个冷却系统的运行稳定性与可靠性。

(5).本发明能够应用于多种不同类型的太阳望远镜的热视场光阑中，大大拓展了该 装置的应用领域和范围。

总之，本发明将射流冷却原理应用于大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置 中。相比现有技术，提高了冷却效率，提升了冷却效果，拓展了应用范围。

附图说明

图1为一种基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置示意 图。

图2为一种可能的大口径地基太阳望远镜热视场光阑射流冷却装置结构示意图。

图3为单个圆形喷嘴射流流场示意图。

图中，1为大口径主镜汇聚太阳光，2为反射视场外太阳光，3为反射面板，4为射 流腔，5-1、5-2为出液通道，6-1、6-2为进液通道，7-1、7-2为压力腔，8-1、8-2为喷 管，9为通光孔，10为视场内太阳光（含像差），11为自由射流，12为贴壁射流，13 为滞止区（半径为r）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如附图1所示，一种基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装 置，由进液通道，压力腔，喷管，射流腔，反射面板和出液通道等六个部分组成。首先， 低温冷却液从各进液管道以一定流速注入压力腔，其中，压力腔与进液管道和喷管相连。 由于与压力腔相连的进液管道截面积与喷管总截面积不等，且前者大于后者，该特定结 构产生了对流体的局部加速效应，形成高速冷却液。然后，高速冷却液通过多个喷管直 接冲击位于反射面板背侧的射流腔，形成局部速度极大的贴壁射流区，产生较高的对流 换热系数，使反射面板所吸收的绝大部分太阳辐射热流q被冷却液迅速带走。最后，冷 却液通过与射流腔相连的出液通道流出。

本文提出了一种可能的大口径地基太阳望远镜热视场光阑射流冷却装置结构，如附 图2所示。其中，6-1为进液通道，7-1为压力腔，8-1为喷管，4为射流腔，5-1为出液 管道，9为锥形通光孔，3为反射面板。主镜来光射向反射面板3，大部分进光被反射出 主光路，极少部分光通过锥形通光孔9穿过，剩余光全部被反射面板3吸收，形成巨大 热流量。对于热视场光阑内部冷却系统，首先，冷却液从进液管道6-1、6-2分别流入压 力腔7-1、7-2。然后，经过压力腔7-1、7-2以及喷管8-1、8-2的综合作用，冷却液在加 速之后以较高速度进入射流腔4并冲击反射面板3背侧，并带走大量热量。最后，冷却 液从出液管道5-1、5-2出热视场光阑。

采用恒温冷却水作为冷却液，对使用双循环强制水冷装置的德国GREGOR太阳望 远镜热视场光阑和本发明一种可能的解决方案（附图2）分别进行有限元流固耦合共轭 传热仿真，结果表明：相比GREGOR大口径太阳望远镜热视场光阑，本发明一种可能 的解决方案达到同样的冷却效果仅需前者不到一半的冷却水流量，并且热视场光阑整体 温差比前者低20%以上。这意味着本发明不仅可以进一步减小热视场光阑的视宁度效 应，还能在达到温控目标的情况下采用更小的冷却水流量，大大简化了配套的冷却循环 系统，降低了成本，并减小了系统振动等不利影响。

由于大口径地基太阳望远镜在对日观测过程中会将大量的太阳辐射进行会聚，由此 产生的巨大热流输入将对望眼镜各部件的安全和太阳望远镜最终的成像质量造成极大 的影响，因此，需对太阳望远镜热视场光阑设置高效的冷却装置，对其进行严格的温控。 据此，本发明提出了一种基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装 置，由入水通道，压力腔，喷管，射流腔，反射面板和出水通道等六个部分组成。

首先，低温冷却液从各进液管道以一定流速注入压力腔，其中，压力腔与一个进液 管道和多个喷管相连。对压力腔，设进液管道总截面积为A1，进液速度为V1，与其相 连的多个喷管总截面积为A2（A2＜A1），射流速度为V2。根据流体连续方程，则 V2=V1×A1/A2。由于A2＜A1，则V2＞V1，形成了结构对流体的局部加速效应，形成 高速冷却液，高速冷却液通过与压力腔相连的多个喷管直接冲击位于反射面板背侧的射 流腔。设高速冷却液自喷管中出射速度为u_e，喷管直径为D，冷却液该温度下运动学粘 度为v，的被冲击物体表面局部雷诺数Re_D和局部努赛尔数Nu_D，分别满足方程：

${\mathrm{Re}}_D=\frac{u_{e}D}{v}---\left(1\right)$

${\mathrm{Nu}}_D=\frac{h_{r}D}{\lambda }---\left(2\right)$

然后，由于反射面板的阻挡，冷却液向四周散开，形成贴壁射流区，该区域内的局 部平均努赛尔数Nu_D可以表示为以下公式：

${\left({\mathrm{Nu}}_D\right)}_m=2{\mathrm{Re}}_D^{0.5}{\mathrm{Pr}}^{0.42}{(1+0.005{\mathrm{Re}}_D^{0.55})}^{0.5}\frac{1-1.1D/r}{1+0.1(H/D-6)D/r}\frac{D}{r}---\left(3\right)$

上式也可表示为以r作为特征长度的Nu数的形式，并求得平均对流换热系数h_m：

${\frac{h_{m}D}{\lambda }=\left({\mathrm{Nu}}_r\right)}_m=2{\mathrm{Re}}_D^{0.5}{\mathrm{Pr}}^{0.42}{(1+0.005{\mathrm{Re}}_D^{0.55})}^{0.5}\frac{1-1.1D/r}{1+0.1(H/D-6)D/r}\frac{D}{r}---\left(4\right)$

取定性温度为：(t_w+t_∞)/2，其中，实验验证范围为：

2×10³≤Re_D≤4×10⁵,$2\le \frac{H}{D}\le \mathrm{12,2.5}\le \frac{r}{D}\le 7.5$

通过上式，可以求得贴壁射流区产生的较高的平均对流换热系数h_m。该值通常为液 体强制对流换热系数的数倍到数十倍，使得反射面板所吸收的绝大部分太阳辐射热流q 被冷却液迅速带走且不产生较大的温差。最后，冷却液通过与射流腔相连的出液通道流 出。

图3为单个圆形喷嘴射流流场示意图。

本发明可应用于各类地基大口径太阳望远镜热视场光阑的冷却，但在其具体结构 设计中，可以依据权利要求书中所提出的各项特征，并根据各类望远镜不同的热视场光 阑结构对其基于本发明的射流冷却装置进行详细设计。